JP2008036777A - 作業補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者が対象物を移動する作業を補助する作業補助装置を提供する。
【解決手段】作業補助装置１００は、把持装置１０と、把持装置１０を回転軸Ｑの回りに回転可能に連結する移動装置２０を備える。対象物Ｗは把持装置１０と作業者Ｔにより保持される。作業者Ｔが対象物Ｗを回転させると、作業補助装置は、対象物Ｗの姿勢角と目標姿勢角の偏差が小さくなる方向の回転を対象物に与えると推定される「回転軸の移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値を算出する。第１移動指令値に従って移動装置を移動させる。把持装置１０と移動装置２０は回転可能に連結されているため、回転軸Ｑが移動する際の対象物Ｗの回転は回転軸Ｑと作業者Ｔの位置関係で規定される。作業者Ｔは、回転軸Ｑが移動する際の対象物Ｗの回転を理解しやすい。作業補助装置は、作業者Ｔが理解し易いように対象物Ｗを移動させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、作業者が対象物の一部を把持して移動させることによって、作業者が対象物を移動する作業を補助する装置に関する。

対象物を作業者とともに把持しながら、作業者の動作に追従して、作業者が対象物を移動する作業を補助する装置が知られている。
作業補助装置は、重力に対して対象物の質量の一部あるいは全部を支える。これによって作業者が対象物を支える負担を軽減することができる。一方、作業補助装置は、作業者の動作に追従して対象物を移動させる。例えば、対処物を所定の方向へ移動させるために作業者が対象物へ操作力を加えると、作業補助装置はその操作力を検出して操作力の方向へ対象物を移動させる。対象物の移動が作業者主体で行えるので、作業環境に柔軟に対応できる。
そのような作業補助装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された作業補助装置は、マニピュレータを備える。作業者が対象物の一部を把持する。マニピュレータが対象物の他の一部を把持する。作業者とマニピュレータによって対象物が保持される。マニピュレータの先端には力センサが設けられている。力センサは、作業者が対象物に加える操作力を検出する。力センサは、作業者の操作力を３自由度の並進力成分と３自由度のトルク成分に分解する。マニピュレータは、自由度ごとにインピーダンス制御される。例えば、作業者が対象物を引っ張るとマニピュレータは対象物を押し出すように動作する。作業者が対象物を回転させるとマニピュレータも同じ回転方向に対象物を回転させるように動作する。マニピュレータをインピーダンス制御することによって、作業補助装置は作業者の動作に追従して動作する。

特開２００５−３４９６０号公報

特許文献１に記載された作業補助装置は、操作力の３自由度の並進力成分と３自由度のトルク成分に基づいて、対象物を並進３自由度と回転３自由度の合計６自由度の各方向へ移動させる。
一方作業者は、対象物を移動させる際に、対象物に加える操作力について６自由度の各成分を正確に考慮することはない。作業者が対象物を並進させようとして操作力を加えても、その操作力には並進力成分の他にトルク成分が含まれる場合が多い。逆に作業者が対象物を回転させようとして操作力を加えても、その操作力にはトルク成分の他に並進力成分が含まれる場合が多い。作業補助装置は夫々の自由度ごとの操作力成分に応じて対象物を移動させる。作業補助装置は、能動的に対象物を並進及び回転させるために、対象物を剛に把持している。そのため、操作力に並進力成分とトルク成分が含まれていると、作業補助装置は、把持している対象物に並進と回転の混在した動きをさせてしまう。作業補助装置が能動的に対象物を並進させると同時に回転させると、作業者が意図しない自由度方向への対象物の動きは作業者によって理解し難いものとなる。そのような対象物の動きは作業者を困惑させる。対象物を移動する作業を充分に補助できない。対象物の移動範囲が、平面内、即ち、並進２自由度と回転１自由度の３自由度に限定されていても同様である。
対象物を作業者とともに把持して、作業者が対象物を移動する作業を容易にさせる作業補助装置が求められている。

上述したように、作業補助装置が能動的に対象物を並進させると同時に回転させると、対象物の動きが作業者に理解し難いものとなってしまう。そこで発明者らは、対象物を把持する把持装置と、把持装置を移動させる移動装置を自由回転可能に連結するという着想を得た。移動装置が対象物を把持した把持装置の回転軸を移動させても、移動装置が対象物を能動的に回転させることがない。対象物の回転は、把持装置の回転軸と作業者の位置関係によって従属的に決まる。作業者は、把持装置の回転軸の移動方向と自身の位置から、対象物がどのように回転するかを容易に理解することができる。作業補助装置が対象物を移動させる際、対象物の動きを作業者に理解し易くする作業補助装置を実現することができる。

本発明は、作業者が対象物の一部を把持して移動させることによって、作業者が対象物を移動する作業を補助する装置に具現化できる。この装置は、対象物の他の一部を把持する把持装置と、把持装置を回転可能に連結している移動装置を備える。移動装置は、アクチュエータによって、移動装置に対する把持装置の回転軸を移動させることができる。換言すれば、移動装置は把持装置を並進移動させることができる。
作業補助装置は、対象物の目標姿勢角と、予め設定された平面を記憶している記憶装置を備える。また、作業補助装置は、対象物の姿勢角を検出するセンサを備える。
作業補助装置は、「前記回転軸の前記平面に沿った移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値を算出する第１移動指令値算出装置と、算出された第１移動指令値をアクチュエータへ出力する指令値出力装置を備える。
第１移動指令値算出装置が算出する第１移動指令値は、作業者が対象物を回転させたときに生じる「対象物の姿勢角と目標姿勢角の姿勢角偏差」を減少させる向きの回転を対象物に与えると推定される「前記回転軸の前記平面に沿った移動方向と移動量」を指定する指令値である。

上記の構成において、移動装置は様々な構造で実現可能である。例えば、３つのリニアアクチュエータを直交３軸方向に組み合わせたガントリー型のロボット、ＸＹＺステージ型移動装置、車輪で移動するタイプの移動装置などである。あるいは、回転関節型のマニピュレータであってもよい。
把持装置は、対象物の他の一部を把持するものであり、作業者が対象物の一部を把持することによって、重力に対して対象物が保持されるものであればよい。或いは、把持装置は、対象物の全質量を重力に対して保持するように把持するものであってもよい。その場合でも、作業者は、対象物の一部を把持して、対象物を把持装置の回転軸回りに回転させることができる。
記憶装置に記憶される目標姿勢角は経時的に変化するものであってもよい。

上記の作業補助装置において、第１移動指令値算出装置が算出する第１移動指令値は、姿勢角偏差を減少させる向きの回転を対象物に与えると推定される「前記回転軸の前記平面に沿った移動方向と移動量」を指定する指令値である。
ここで、「姿勢角偏差を減少させる向きの回転を対象物に与えると推定される」とは次の意味である。
把持装置と移動装置は回転可能に連結されている。従って、移動装置が把持装置と移動装置の連結部の回転軸を移動させても、対象物が回転するとは限らない。しかし対象物は、その一部を作業者によって把持されている。作業物の一部が作業者によって把持されていることによって、移動装置が回転軸を移動させると、対象物は作業者の把持位置を中心にして回転することが推定される。

上記構成によれば、作業補助装置は対象物を把持しているので、作業者が対象物の全重量を支える必要がなく作業者の負担が軽減できる。
一方、作業補助装置は、対象物を把持する把持装置と、把持装置を移動させるための移動装置を自由回転可能に連結している。把持装置が対象物を把持した状態でも、作業者は対象物を自由に回転させることができる。把持装置に把持された対象物に作業者が操作力を加えると、対象物は、移動装置と把持装置の連結部の回転軸回りに回転する。対象物の姿勢角が変化する。センサによって検出された姿勢角と目標姿勢角に姿勢角偏差が生じる。
第１移動指令値算出装置によって、姿勢角偏差を減少させる向きの回転を対象物に与えると推定される「前記回転軸の前記平面に沿った移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値が算出される。
指令値出力装置が、算出された第１移動指令値を実現するようにアクチュエータへ駆動指令値を出力することによって、移動装置が対象物とともに把持装置を移動させる。

対象物を把持した把持装置と移動装置は回転可能に連結されている。対象物の回転は、把持装置の回転軸と作業者の位置関係によって従属的に決まる。作業補助装置が対象物を移動させている間、作業者は、自身の位置と把持装置の回転軸との位置関係を見るだけで対象物がどのように回転するか容易に把握することができる。作業補助装置が対象物を移動させる際、作業者は対象物の動きを理解し易くなる。作業者が、対象物を所定の方向に回転させると、対象物の姿勢角が変化する。作業補助装置は、対象物の姿勢角と目標姿勢角の姿勢角偏差を減少させる方向の回転を対象物に与えると推定される方向に把持装置の回転軸を移動させる。対象物の姿勢角が目標姿勢角と一致した時点で移動装置が停止する。結果的に、作業補助装置は、対象物の姿勢角を目標姿勢角に一致させたまま、作業者の動きに追従して対象物を平行移動させる。
回転軸の移動方向は、記憶装置が記憶している予め設定された平面に沿った方向である。作業者が対象物を例えば目標位置へ近づける方向へ移動させると、移動装置は平面に沿った方向へ回転軸を移動させる。結果的に、作業補助装置は、対象物の姿勢角を目標姿勢角に一致させたまま、作業者の動きに追従して対象物を目標位置へ近づける方向へ平行移動させる。
作業者に理解し易いように対象物を移動させることができ、作業者が対象物を移動する作業を補助する作業補助装置を実現できる。

記憶装置が記憶している平面は、対象物の初期位置と目標位置を含む平面であることが好ましい。作業者が対象物を回転させると、移動装置は、把持装置の回転軸を平面に沿って移動させる。その平面が対象物の初期位置と目標位置を含んでいれば、作業者は対象物を目標位置に近づける方向に回転させるだけで、作業補助装置は対象物を目標姿勢に維持したまま目標位置の方向へ移動させることができる。
対象物の初期位置と目標位置が予め決まっている場合には、その初期位置と目標位置を含む平面を記憶装置に記憶させればよい。或いは、作業補助装置に対象物の位置を検出するセンサを備えるとともに、対象物の目標位置を記憶装置に記憶させておくことによって、センサによって検出した対象物の初期位置からリアルタイムに前記平面を決定して記憶装置に記憶するように構成してもよい。前者の場合には作業補助装置の構成を簡単にすることができる。後者の場合には、対象物の初期位置が変更された場合にも、作業補助装置は容易に対応できる。

対象とする作業が、対象物を２次元平面内で移動させればよいという作業環境下で行われる場合には、移動装置も回転軸を２次元平面内で移動させればよい。そのような場合には、第１移動指令値算出装置は、前記平面内に設定された直線に沿って回転軸を移動させる第１移動指令値を算出すればよい。直線は、対象物を移動させる平面内に設定すればよい。
ここで、移動装置の構造が、把持装置の回転軸を作業環境内の２次元平面内で移動可能な構造を有しており、回転軸をその２次元平面と直交する方向には移動不可の構造を有している場合には、記憶装置が記憶している平面は、明示的に記憶されている必要はない。記憶装置は、把持装置の回転軸の移動範囲である２次元平面内に設定された直線を記憶していれば、前述した「記憶装置が記憶している平面」は、設定された直線を含んでおり、把持装置の回転軸の移動範囲である２次元平面と交差する方向に伸びる平面を記憶していることと等価だからである。

記憶装置が記憶している直線は、対象物の初期位置と目標位置を通過する直線であることが好ましい。作業者が対象物を回転させると、移動装置は、把持装置の回転軸を直線に沿って移動させる。その直線が対象物の初期位置と目標位置を含んでいれば、作業者は対象物を目標位置に近づける方向に回転させるだけで、作業補助装置は、対象物を目標姿勢に維持したまま目標位置の方向へ移動させることができる。

第１移動指令値算出装置は、把持装置の回転軸を、記憶装置に記憶された平面に沿って移動させる移動方向と移動量を指定する第１移動指令値を算出する。従って第１移動指令値算出装置によって算出される回転軸の移動方向は、記憶装置に記憶されている平面に沿った方向に限定される。
作業環境によっては、記憶されている平面と直交する方向に対象物を移動させたい場合もある。そのような場合には、作業補助装置は以下の特徴を有することが好ましい。即ち、作業装置は、前記平面と直交する方向へ前記回転軸を移動させる移動量を指定する第２移動指令値を算出する第２移動指令値算出装置を備える。指令値出力装置は、算出された第２移動指令値を移動装置のアクチュエータへ出力する。

上記の特徴を有することによって、記憶装置に記憶された平面と直交する方向へも対象物を移動させることができる。

第２出力装置が出力する第２移動指令値は、例えば次の様に求めることができる。即ち、作業者が対象物に加える操作力の前記直交方向の操作力成分を検出する力センサを備えており、第２移動指令値算出装置は、力センサによって検出された操作力成分に基づいて第２移動指令値を算出する。
或いは次の様に求めることもできる。即ち、作業補助装置に、対象物の位置を検出するセンサを備えておく。そして記憶装置には、対象物の目標位置を記憶しておく。第２移動指令値算出装置は、検出された対象物の位置と記憶された目標位置の前記直交方向の距離を減少させる方向に回転軸を移動させる第２移動指令値を算出する。

前者の場合は、例えばインピーダンス制御を利用することによって、検出された操作力成分に対応する第２移動指令値を算出すればよい。そうすることで、作業者が対象物に対して前記直交方向に操作力を加えるだけで、把持装置の回転軸を前記直交方向に移動させることができる。即ち、把持装置によって把持された対象物を前記直交方向に移動させることができる。直線方向のみのインピーダンス制御は作業者にとって利用しやすい。前記直交方向に対しても作業者の動作に追従して対象物を移動させる作業補助装置を実現できる。
後者の場合は、対象物を目標位置へ位置決めする場合に有効である。前記直交方向については作業補助装置が自律的に位置決めを行うからである。作業者は、記憶装置に記憶された平面に沿った方向についてのみ、対象物を目標位置に位置決めする作業に専念することができる。目標位置に目標姿勢で位置決めするように対象物を移動する作業について、作業者の負担を軽減する作業補助装置を実現できる。

後者の場合には、さらに、前記直交方向に関して、検出された対象物の位置と記憶された目標位置の位置偏差が小さくなるほど小さくなる許容範囲が設定されており、第２移動指令値算出装置は、対象物の位置が許容範囲内となるように回転軸を移動させる第２移動指令値を算出することが好ましい。そのように構成することによって、作業補助装置は、対象物が目標位置へ近づくにつれて、前記直交方向の位置偏差が徐々にゼロとなるように対象物を移動させる。作業補助装置が対象物を移動させる際の軌跡を滑らかにすることができる。

作業補助装置は、対象物の位置を検出するセンサと移動装置に対する把持装置の回転を規制する回転規制装置を備えており、記憶装置は対象物の目標位置を記憶しており、第１移動指令値算出装置は、算出した第１移動指令値が、対象物の位置と目標位置の位置偏差を大きくする方向である場合には、回転規制装置へ把持装置の回転を規制するトルク指令値を出力することが好ましい。

上記構成によって、作業補助装置は、作業者が誤って目標位置から遠ざける方向に対象物を回転させることを抑制することができる。そうすることによって、対象物を目標位置に近づける方向に対象物を回転させるように作業者を誘導することができる。

本発明によれば、作業者が対象物を移動する作業に対して、対象物の自重の一部或いは全部を支持しながら、作業者の動きに追従して対象物を移動させる作業補助装置を実現することができる。特に、作業補助装置が対象物を移動させる際の対象物の動きが作業者に理解し易い作業補助装置を実現することができる。さらに、作業者が、目標位置に目標姿勢で位置決めするように対象物を移動させる作業を補助する作業補助装置を実現することができる。

以下に実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態）第１移動指令値算出装置は、移動装置が回転軸を移動させるときの対象物の「仮想的な回転中心」が予め設定されており、「仮想的な回転中心」に対して、作業者が対象物を回転させたときに生じる姿勢角偏差を減少させる向きの回転を対象物に与えると推定される「回転軸の前記平面に沿った移動方向と移動量を指定する第１移動指令値を算出する。
（第２形態） 第１移動指令値算出装置は、姿勢角偏差がゼロとなるまで第１移動指令値を算出する。
（第３形態） 作業者が把持装置の移動方向を入力するための入力装置を備えており、第２移動指令値算出装置は、入力された移動方向に基づいて第２移動指令値を算出する。
第２移動指令値を作業者が明示的に与える構成とすることで、「直交方向」について、対象物を確実に作業者の意図通りに移動させることができる。

本発明の実施例について、図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施例＞ 図１は、第１実施例に係る作業補助装置１００の平面図である。図１（Ａ）は、作業者Ｔが対象物Ｗを、Ｗ１に示す位置からＷ２に示す位置まで回転させた状態を示す図である。図１（Ｂ）は、対象物の回転に応じて、作業補助装置１００の移動装置２０が把持装置１０を移動させた状態を示す図である。なお、本実施例では、説明を簡単にするため、対象物を、図１に示すＸＹＺ座標系のＸＹ平面内で移動する作業を例とする。ＸＹ平面は水平面である。
本実施例において、作業者が行うべき作業は、長方形の対象物Ｗを、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すＷｄの位置へ移動する作業である。対象物Ｗの目標位置は、対象物Ｗ上に予め設定された基準点Ｐの目標位置Ｐｄとして定義される。以下では、対象物Ｗ上に設定された基準点Ｐの位置を単に対象物の位置Ｐと称する。基準点Ｐの目標位置Ｐｄを対象物Ｗの目標位置Ｐｄと称する。
また本実施例の作業では、作業者は、Ｗｄにおける対象物の目標姿勢を、対象物Ｗの長辺がＹ軸と平行となる姿勢に合わせることが要求されている。Ｙ軸と対象物Ｗの長辺がなす各を姿勢角θと定義する。図１（Ａ）より、本実施例における目標姿勢角θｄの値はゼロとなる。また、目標姿勢角θｄの値がゼロであるため、対象物Ｗの姿勢角θの値がそのまま対象物Ｗの姿勢角と目標姿勢角の姿勢角偏差ｄθに相当する。なお、目標姿勢角θｄは、任意の直線と対象物Ｗの長辺がなす角として定義してもかまわない。
本実施例で対象とする作業は、対象物Ｗを目標姿勢角θｄで目標位置Ｐｄに移動する作業ということができる。
なお、図１（Ａ）、（Ｂ）において、対象物Ｗ、その位置Ｐ、及び作業者Ｔの符号に添えた数字は夫々の経時的な位置を表す。例えば、対象物Ｗは初期状態ではＷ１の姿勢で位置Ｐ１に配置されており、作業者ＴはＴ１の位置で対象物Ｗを把持していることを表している。

作業補助装置１００の構造について説明する。
作業補助装置１００は、把持装置１０と把持装置１０をＺ軸回りに自由回転可能に連結する移動装置２０とコントローラ６０を備える。
対象物Ｗの一部を作業者Ｔが把持する。対象物Ｗの他部を把持装置１０が把持する。把持装置１０は、移動装置２０によって、鉛直方向、即ちＺ軸方向に支持されている。作業者Ｔと作業補助装置１００によって、対象物Ｗは重力に対して鉛直方向に保持されている。即ち、作業者Ｔは、重力に対して対象物Ｗを保持するために、対象物Ｗの質量の半分を負担するだけで良い。作業補助装置１００によって、作業者Ｔが対象物Ｗを重力に対して保持するための負荷が軽減される。

移動装置２０は、リンク２２、リンク２４、リンク２６を有している。リンク２２は絶対座標系に対して固定されている。
リンク２４は、第１直動関節３０によってリンク２２と連結されている。第１直動関節３０には第１アクチュエータ４０が内蔵されており、第１アクチュエータ４０によって、リンク２４をリンク２２に対して相対的にＹ軸方向に並進移動させることができる。
リンク２６の一端は、第２直動関節３２によって、リンク２４と連結されている。第２直動関節３２には第２アクチュエータ４２が内蔵されており、第２アクチュエータ４２によって、リンク２６をリンク２４に対して相対的にＸ軸方向に並進移動させることができる。

リンク２６の他端には、回転関節３４を介して把持装置１０が連結されている。回転関節３４は、Ｚ軸に平行な回転軸Ｑを有している。回転関節３４によって、把持装置１０は、回転軸Ｑの回りに自由に回転することができる。把持装置１０は対象物Ｗの一端を把持している。作業者Ｔが対象物Ｗの他端を把持している。作業者Ｔは、回転軸Ｑを中心にして対象物Ｗを自由に回転させることができる。
回転関節３４には、把持装置１０の回転を規制するためのブレーキ５６を内蔵している。ブレーキ５６は回転関節３４に加えるブレーキトルクを制御可能である。

第１直動関節３０には、第１リンク２２に対する第２リンク２４の位置を検出する第１センサ５０が備えられている。第２直動関節３２には、第２リンク２４に対する第３リンク２６の位置を検出する第２センサ５２が備えられている。回転関節３４には、第３リンク２６に対する把持装置１０の回転軸Ｑ回りの回転角を検出する第３センサ５４が備えられている。第１センサ５０、第２センサ５２、第３センサ５４の検出値はコントローラ６０へ送られる。コントローラ６０は、送られたセンサの検出値から、対象物Ｗの位置Ｐ、及び対象物Ｗの姿勢角ｄθを求めることができる。以下では、第１センサ５０、第２センサ５２、第３センサ５４を総称して位置・姿勢角センサと称することがある。

コントローラ６０は、位置・姿勢角センサの検出値が入力される。コントローラ６０は、入力された位置・姿勢角センサの検出値に基づいて、第１アクチュエータ４０と第２アクチュエータ４２を駆動するための指令値を出力する。第１アクチュエータ４０と第２アクチュエータ４２を駆動することによって、移動装置２０は把持装置１０の回転軸ＱをＸＹ平面内で自由に移動させることができる。コントローラ６０の内部の構成は後述する。

把持装置１０には、力センサ３６が備えられている。力センサ３６は、作業者Ｔが対象物Ｗに加える操作力を検出する。

図３に作業補助装置１００のブロック図を示す。コントローラ６０は、記憶装置６２と、第１移動指令値算出装置６４と第２移動指令値算出装置６８と指令値出力装置６６を有する。
記憶装置６２には、対象物Ｗの目標位置Ｐｄ及び目標姿勢角θｄと、絶対座標系に対して定義されており、予め設定された直線のデータを記憶している。予め設定された直線を基準線と称する。ここで、基準線に沿った方向が、対象物Ｗの姿勢角θと目標姿勢角θｄの姿勢角偏差ｄθに応じて把持装置１０の回転軸Ｑを移動させる移動方向となる。本実施例では、Ｘ軸に沿って伸びる直線が基準線として記憶されている。即ち、作業補助装置１００は、姿勢角偏差ｄθに応じて把持装置１０の回転軸Ｑを基準線、即ちＸ軸に沿った方向へ移動させる。
なお、本実施例では、作業環境をＸＹ平面の２次元平面とした。従って記憶装置６２が基準線を記憶していることは、記憶装置が、基準線を含み、ＸＹ平面と交差する平面を記憶していることと等価である。
また、基準線、即ちＸ軸に沿って伸びる直線は、回転軸Ｑ、即ち対象物Ｗを目標位置Ｐｄへ接近させる方向に伸びている。

第１移動指令値算出装置６４には、位置・姿勢角センサ（即ち、第１センサ５０と第２センサ５２と第３センサ５４）の検出値が入力される。第１移動指令値算出装置６４は、位置・姿勢角センサの検出値に基づいて、対象物Ｗの位置Ｐと姿勢角θを算出する。第１移動指令値算出装置６４は、記憶装置６２から、対象物Ｗの目標姿勢角θｄと、基準線を読み込む。第１移動指令値算出装置６４は、基準線、即ちＸ軸に沿った方向であり、姿勢角θと目標姿勢角θｄの姿勢角偏差ｄθを減少させる方向に把持装置１０の回転軸Ｑを移動させる第１移動指令値を算出する。算出された第１移動指令値は指令値出力装置６６へ送られる。このように第１移動指令値算出装置６４が算出可能である回転軸Ｑの移動方向は、Ｘ軸に沿った方向に限定されている。

第１移動指令値算出装置６４はまた、姿勢角偏差ｄθを減少させるための回転軸Ｑの移動方向が、即ち把持装置１０の移動方向が、対象物Ｗの位置Ｐを目標位置Ｐｄから遠ざける方向であると判断した場合には、移動装置２０が備える回転関節３４のブレーキ５６に対して、姿勢角偏差ｄθが大きくなる方向への把持装置の回転を規制するブレーキトルク指令値を出力する。

指令値出力装置６６は、第１指令値算出装置６４から送られた第１移動指令値を第２アクチュエータ４２への駆動指令値に変換する。変換した駆動指令値を第２アクチュエータ４２に出力する。第２アクチュエータ４２は把持装置１０の回転軸ＱをＸ軸に沿って移動させるアクチュエータである。第２アクチュエータ４２は、指令値出力装置６６から出力された指令値に基づいて、第３リンク２６をＸ軸に沿って移動させる。第３リンク２６には把持装置１０が連結されており、第３リンク２６が移動すると、把持装置１０の回転軸Ｑも移動する。回転軸Ｑの移動に伴って把持装置１０も移動する。

一方、把持装置１０の有する力センサ３６によって検出された作業者Ｔの操作力は、コントローラ６０内の第２移動指令値算出装置６８へ送られる。第２移動指令値算出装置６８は、検出された操作力のＹ軸方向の成分を算出する。
第２移動指令値算出装置６８は、算出されたＹ軸方向の操作力成分に応じて、把持装置１０の回転軸ＱをＹ軸方向へ移動させる第２移動指令値を算出する。第２移動指令値は、例えばインピーダンス制御則に基づいて、Ｙ軸方向の操作力成分を回転軸Ｑの移動量に変換することによって求められる。第２移動指令値算出装置６８によって算出される第２移動指令値が指定する回転軸Ｑの移動方向は、Ｙ軸に沿った方向である。Ｙ軸に沿った方向は、記憶装置６２に記憶された基準線と直交する方向である。第２移動指令値算出装置６８は、記憶装置６２から基準線を読み込むことによって、基準線と直交する方向、即ちＹ軸に沿った方向を、第２移動指令値が指定すべき回転軸Ｑの移動方向に設定する。
なお、本実施例では、作業環境をＸＹ平面に限定しているため、対象物ＷのＺ軸方向の移動は考慮する必要がない、従って、Ｘ軸と直交するＹ軸方向が基準線と直交する方向であると特定できる。

第２移動指令値算出装置６８によって算出された第２移動指令値は、指令値出力装置６６へ送られる。指令値出力装置６６は、第２移動指令値を第１アクチュエータ４０の駆動指令値に変換する。変換した駆動指令値を第１アクチュエータ４０に出力する。第１アクチュエータ４０は第２リンク２４をＹ軸に沿った方向へ移動させるアクチュエータである。駆動指令値に基づいて第２アクチュエータ４２が駆動されると、第２リンク２４とともに把持装置１０の回転軸ＱもＹ軸に沿った方向に並進移動する。

記憶装置６２は具体的にはハードディスク装置や、メモリ装置で構成される。また、第１移動指令値算出装置６４、第２移動指令値算出装置６８、指令値出力装置６６の一部或いは全部は、夫々独立した装置で実現されてもよいし、コンピュータが実行するソフトウエアで実現されてもよい。その場合、第１移動指令値算出装置６４として行う処理を実行している際のコンピュータが第１移動指令値算出装置６４に相当する。第２移動指令値算出装置６８として行う処理を実行している際のコンピュータが第１移動指令値算出装置６８に相当する。指令値出力装置６６として行う処理を実行している際のコンピュータが指令値出力装置６６に相当する。

図１に戻り、作業補助装置１００の動作について説明する。
図１（Ａ）に示すように、対象物Ｗは、初期には位置Ｐ１に位置している。作業者Ｔが位置Ｔ１で対象物Ｗを目標位置Ｐｄに近づける方向に操作力を対象物Ｗに加えると、対象物Ｗは、回転関節３４の回転軸Ｑを中心に回転する。対象物の位置はＰ２の位置となる。対象物の姿勢角偏差はｄθとなる。図１（Ａ）には、Ｙ軸と平行な直線Ｌが描いてある。姿勢角偏差ｄθは、Ｙ軸に平行な直線Ｌと対象物Ｗの長辺がなす角である。

コントローラ６０の第１移動指令値算出装置６４には、位置・姿勢角センサの値が入力される。第１移動指令値算出装置６４は、入力されたセンサの値から対象物の位置Ｐ２と姿勢角θを求める。第１移動指令値算出装置６４は、対象物Ｗの姿勢角θと、記憶装置６２に記憶された目標姿勢角θｄの姿勢角偏差ｄθを算出する。第１移動指令値算出装置６４は、記憶装置６２に記憶された基準線（本実施例の場合はＸ軸）に沿った方向であって、姿勢角偏差ｄθを減少させる方向へ把持装置の回転軸Ｑを移動させるための第１移動指令値を算出する。換言すれば、第１移動指令値算出装置６４は、姿勢角偏差ｄθを減少させる向きの回転を対象物Ｗに与える「回転軸Ｑの基準線に沿った移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値を算出する。

ここで、対象物Ｗを把持する把持装置１０と移動装置２０は回転軸Ｑの回りに回転自在に連結されている。従って、移動装置２０が回転軸Ｑを移動させても、把持装置１０に把持された対象物Ｗは回転するとは限らない。前述した『姿勢角偏差ｄθを減少させる向きの回転を対象物Ｗに与える「回転軸Ｑの基準線に沿った移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値』は、厳密には『姿勢角偏差ｄθを減少させる向きの回転を対象物Ｗに与えると推定される「回転軸Ｑの基準線に沿った移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値』と表現される。「回転軸Ｑの基準線に沿った移動方向」は次のように求める。
第１移動指令値算出装置６４には、対象物Ｗに対して仮想的な回転中心が予め設定されている。仮想的な回転中心は、位置・姿勢角センサによって検出された対象物Ｗの位置Ｐに設定されている。図１（Ａ）の仮想線（２点鎖線）で示された状態では、仮想的な回転中心は対象物Ｗの位置Ｐ２である。第１移動指令値算出装置６４は、位置Ｐ２を中心に設定し、基準線に沿った方向、即ちＸ軸の正の方向と負の方向に、回転軸Ｑを微小移動させたときの姿勢角偏差ｄθの変化率を算出する。変化率がｄθを減少させる場合のＸ軸の方向が、姿勢角偏差ｄθを減少させる向きの回転を対象物Ｗに与えると推定される「回転軸Ｑの基準線に沿った移動方向」であると判断する。対象物Ｗが図１（Ａ）に仮想線で示されている位置Ｐ２と姿勢角偏差ｄθの場合には、位置Ｐ２を中心に対象物Ｗが回転するものと仮定すると、Ｘ軸の正の方向が、姿勢角偏差ｄθを減少させる向きの回転を対象物Ｗに与えると推定される「回転軸Ｑの基準線に沿った移動方向」であると判断できる。
なお、仮想的な回転中心は、例えば、作業者の位置であってもよい。或いは、作業者が対象物の一部を把持しているときの、その把持部分であってもよい。

第１移動指令値が指定する回転軸Ｑの移動量について説明する。回転軸Ｑの移動方向はＸ軸の正の方向であると判断された。姿勢角偏差ｄθに対して、Ｘ軸の正方向への回転軸Ｑの移動量ｄＸを次の（１）式で算出する。

ｄＸ＝Ｇｐ・ｄθ＋Ｇｉ・∫ｄθ＋Ｇｄ・｛ｄ（ｄθ）／ｄｔ｝ ・・・（１）

（１）式において、Ｇｐは比例ゲインである。Ｇｉは積分ゲインである。Ｇｄは微分ゲインである。｛ｄ（ｄθ）／ｄｔ｝は、姿勢角偏差ｄθの時間微分を表す。（１）式の右辺第２項は、対象物の仮想的な回転中心に設定された位置Ｐを中心にして、回転軸ＱをＸ軸の正の方向へ移動させたときの積分値を表す。（１）式の右辺第３項は、対象物の仮想的な回転中心に設定された位置Ｐを中心にして、回転軸ＱをＸ軸の正の方向へ所定の速度で移動させたときの姿勢角偏差ｄθの時間変化率を表す。即ち、回転軸Ｑの移動量ｄＸは、姿勢角偏差ｄθをゼロに収束させるＰＩＤ制御によって算出される。
第１移動指令値算出装置６４は、以上の処理を行うことによって、作業者Ｔが対象物Ｗを回転させたときに生じる姿勢角偏差ｄθを減少させる向きの回転を対象物Ｗに与えると推定される「回転軸Ｑの基準線に沿った移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値を算出される。対象物Ｗが図１（Ａ）に仮想線で示されている位置Ｐ２と姿勢角偏差ｄθの場合には、移動方向はＸ軸の正の方向に指定される。移動量は（１）式によって求められたｄＸに指定される。

第１移動指令値算出装置６４によって算出された第１移動指令値に従って、移動装置２０が把持装置１０の回転軸ＱをＸ軸の正方向へ移動させるように第２アクチュエータ４２が駆動される。把持装置１０の回転軸ＱはＸ軸と平行にＸ軸の正の方向へｄＸだけ移動する。作業補助装置１００は、上記の処理を姿勢角偏差ｄθがゼロとなるまで繰り返す。

作業者Ｔが位置Ｔ１から位置Ｔ２まで移動し対象物ＷがＷ２の位置で姿勢角偏差がｄθとなるまで回転させた後、その付近で静止していると、把持装置１０の回転軸ＱがＸ軸の正方向へ並進移動するにつれて、姿勢角偏差ｄθは小さくなる。図１（Ｂ）に示すように、姿勢角偏差ｄθがゼロ、即ち、対象物Ｗが位置Ｐ３で対象物Ｗの長辺とＹ軸が平行となった時点で作業補助装置１００は回転軸Ｑの移動を停止する。その結果、図１（Ｂ）に示すように、対象物Ｗは当初の位置Ｐ１から、位置Ｐ３へ移動する。対象物Ｗは、基準線であるＸ軸に沿った方向に、当初位置Ｐ１から図１（Ｂ）に示す距離ｄＸだけ目標位置Ｐｄに近づく。対象物Ｗの姿勢角θは位置Ｐ３において、目標姿勢角θｄと一致している。即ち、作業補助装置１００は、作業者Ｔの動きに追従して、対象物Ｗをその姿勢角θを目標姿勢角θｄに維持したまま、目標位置Ｐｄへ近づけることができる。

把持装置１０は移動装置２０に対して回転可能に連結されている。作業補助装置１００は、対象物Ｗに特定の回転移動を強制しない。移動装置２０が把持装置１０の回転軸Ｑを移動させている間の対象物Ｗの姿勢角θは、回転軸Ｑと作業者Ｔの位置関係で決まる。作業者Ｔは、自身の位置と回転軸Ｑの位置関係から、対象物Ｗがどのように回転するか容易に把握することができる。作業補助装置１００は、対象物Ｗの動きを作業者Ｔに理解し易くすることができ、かつ作業者Ｔの動作に追従して対象物Ｗを移動させることができる。
本実施例における作業環境は、対象物ＷをＸＹ平面（２次元平面）で移動させる環境である。即ち、作業環境における対象物Ｗの並進自由度は２である。作業補助装置１００は、姿勢角偏差ｄθに基づいて第１移動指令値算出装置６４が算出する回転軸Ｑの移動方向を基準線に沿った方向に限定している。即ち、第１移動指令値算出装置６４が算出する回転軸Ｑの移動方向は、作業環境における対象物の並進自由度に対して１自由度少ない並進自由度に限定される。そのため、作業者Ｔは、回転軸Ｑの移動方向まで事前に認識することができ、回転軸Ｑの移動に伴う対象物Ｗの回転を一層理解し易くなる。

回転軸Ｑは、Ｘ軸に沿った方向へ移動するため、図１（Ａ）に示す作業者Ｔが対象物Ｗを回転させた直後の位置Ｔ２と、図１（Ｂ）に示す回転軸Ｑの移動停止後の作業者Ｔの位置Ｔ３は異なる。しかし作業補助装置１００は、例えばミリ秒のオーダーの制御サンプリング周期で上記の動作を繰り返す。即ち、作業者Ｔが対象物Ｗをわずかに回転させると、その回転による姿勢角θの変化に応じて、姿勢角偏差ｄθを小さくすると推定される方向に回転軸Ｑを移動させる。従って、作業補助装置１００は、作業者Ｔと協調してあたかも対象物ＷをＸ軸の正方向へ平行移動させるかのごとく動作する。図１（Ａ）に示す作業者Ｔの位置Ｔ２と図１（Ｂ）に示す作業者Ｔの位置Ｔ３の差はわずかであり、作業者Ｔの負担とはならない。

作業者Ｔが引き続き目標位置Ｐｄへ近づける方向の操作力を対象物Ｗに加えると、作業補助装置１００は上記と同様の動作を繰り返す。対象物Ｗはさらに目標位置Ｐｄに近づく。

本実施例の作業補助装置１００では、第１移動指令値算出装置６４が出力する第１移動指令値が指定する回転軸Ｑの移動方向は基準線、即ちＸ軸に沿った方向に限定される。図１（Ｂ）に示すように、対象物の位置Ｐ３と目標位置ＰｄとはＹ軸方向にも位置偏差を有している。作業者Ｔは、対象物Ｗを基準線と直交する方向、即ちＹ軸方向へも移動させなければならない。次に対象物ＷをＹ軸方向へ移動させる動作について説明する。

図２は、対象物ＷをＹ軸方向へ移動させる動作を説明する図である。把持装置１０には力センサ３６（図１参照）が備えられている。図２では対象物ＷはＷ３の位置、即ち位置Ｐ３に位置している。このとき、作業者Ｔは位置Ｔ３に位置している。この状態で作業者Ｔが対象物Ｗに操作力ＦＩを加える。作業者Ｔは、対象物Ｗを目標位置Ｐｄに移動させたいので、操作力ＦＩは図２において下方を向いている。
把持装置１０に備えられた力センサ３６は、操作力ＦＩのＹ軸方向成分を検出する。今、操作力ＦＩはＹ軸と平行であると仮定するとＦＩそのものが操作力のＹ軸方向成分と一致する。検出された操作力のＹ軸方向成分ＦＩはコントローラ６０内の第２移動指令値算出装置６８（図３参照）へ送られる。第２移動指令値算出装置６８は、次の（２）式に示すインピーダンス制御則に基づいて回転軸ＱのＹ軸方向の移動量ｄＹを指定する移動指令値（第２移動指令値）を算出する。

ＦＩ＝Ｍｐ・｛ｄ（ｄＹ）／ｄｔ｝＋Ｄｐ・ｄＹ ・・・（２）

ここで、Ｍｐはインピーダンス制御における仮想的な質量を表す定数である。Ｄｐはインピーダンス制御における仮想的な減衰定数である。｛ｄ（ｄＹ）／ｄｔ｝は移動量ｄＹの時間微分を表す。（２）式を変形して次の（３）式を得る。

｛ｄ（ｄＹ）／ｄｔ｝＝（ＦＩ−Ｄｐ・ｄＹ）／Ｍｐ ・・・（３）

（３）式の微分方程式を解いて移動量ｄＹを指定する第２移動指令値を求める。求められた第２移動指令値は、指令値出力装置６６（図３参照）へ送られる。指令値出力装置６６は、算出された第２移動指令値に従って、移動装置２０が回転軸ＱをＹ軸方向へ移動させるように第１アクチュエータ４０を駆動する。回転軸ＱはＹ軸に沿った方向で移動量ｄＹだけ移動する。こうして図２に２点鎖線で示すように、操作力ＦＩが加わる前には位置Ｐ３に位置していた対象物Ｗは、Ｙ軸と平行に距離ｄＹだけ離れた位置Ｐ４へ移動する。

作業者Ｔは、対象物Ｗに加える操作力ＦＩについて、その方向を厳密に意識しているわけではないので、操作力ＦＩの方向はＹ軸と平行にならない場合もある。しかし力センサ３６は、操作力のＹ軸方向成分のみを検出するため、作業者Ｔが加える操作力はＹ軸と平行でなくともよい。作業者Ｔが加える操作力がＹ軸と平行でなくとも、作業補助装置１００は、操作力のＹ軸方向成分に基づいて回転軸ＱをＹ軸に沿った方向に並進移動させるからである。ここで、力センサ３６は操作力の大きさと方向を検出できればよい。力センサ３６が、操作力の大きさと方向を検出できれば、幾何学的な計算により操作力のＹ軸方向成分を求めることができる。なお、Ｙ軸に沿った方向は、記憶装置６２（図３参照）に記憶された基準線と直交する方向である。

次に上記説明した作業補助装置１００の動作をフローチャート図を用いて説明する。図４は、対象物Ｗの姿勢角に応じて回転軸Ｑを移動させる処理のフローチャート図である。図５は、作業者Ｔが対象物Ｗに加える操作力に応じて回転軸Ｑを移動させる処理のフローチャート図である。
図４について説明する。ステップＳ１００では、位置・姿勢角センサによって対象物の位置Ｐと姿勢角θを検出する。次にステップＳ１０２では、検出した姿勢角θと目標姿勢角θｄの姿勢角偏差ｄθを算出する。ステップＳ１０４では、算出された姿勢角偏差ｄθに応じた回転軸Ｑの移動方向と移動量を指定する第１移動指令値が算出される。第１移動指令値の算出方法は前述した通りである。算出された第１移動指令値は、ステップＳ１０６で第２アクチュエータ４２へ出力される。以上のステップが実行されることによって、作業者Ｔが対象物Ｗを回転させると、作業補助装置１００は、基準線、即ちＸ軸に沿った方向であって対象物Ｗの姿勢角偏差ｄθを減少させる方向へ回転軸Ｑを移動させる。

図５について説明する。ステップＳ２００では作業者Ｔが対象物Ｗに加えた操作力のＹ軸方向成分を検出する。ステップＳ２０２では、検出された操作力のＹ軸方向成分に基づいて回転軸Ｑを移動させるための第２移動指令値を算出する。第２移動指令値の具体的な算出方法は前述した通りである。算出された第２移動指令値は、ステップＳ２０４によって、第１アクチュエータ４０へ出力される。以上のステップが実行されることによって、作業者Ｔが対象物Ｗに加えた操作力に応じて回転軸Ｑ、即ち対象物ＷをＹ軸に沿った方向へ移動させることができる。

次に、図１に示した回転関節３４に備えられたブレーキ５６を制御する動作について説明する。前述したように、第１移動指令値算出装置６４は、回転軸Ｑの移動方向であって、姿勢角偏差ｄθを減少させる向きの回転を対象物Ｗに与えると推定される方向を判断する。その際、回転軸Ｑの移動方向が目標位置Ｐｄから遠ざかる方向である場合には、姿勢角偏差ｄθが大きくなる方向への把持装置の回転を規制するブレーキトルクをブレーキ５６に指令する。ブレーキトルクτの大きさは具体的には次の第４式で算出される。

τ＝Ｇａ・ｄθ＋Ｇｂ・｛ｄ（ｄＰｈ）／ｄｔ｝ ・・・（４）

（４）式で、Ｇａ、Ｇｂは定数である。Ｐｈは、対象物の位置Ｐと目標位置Ｐｄの位置偏差を表す。｛ｄ（ｄＰｈ）／ｄｔ｝は位置偏差の時間微分を表す。

作業補助装置１００が回転関節３４に配置されたブレーキ５６へのトルク指令値τを指令する処理のフローチャートを図６に示す。
まずステップＳ３００では、対象物Ｗの位置Ｐと姿勢角θを検出する。次にステップＳ３０２では、第１移動指令値算出装置６４が基準線、即ちＸ軸に沿った方向で姿勢角偏差ｄθを減少させる回転を対象物Ｗに与えると推定される回転軸Ｑの移動方向を判断する。この判断の具体的方法は前述した通りである。次にステップＳ３０４では、対象物Ｗの位置Ｐと目標位置Ｐｄを参照して、判断された回転軸Ｑの移動方向が対象物Ｗを目標位置Ｐｄから遠ざかる方向であるか否か判断する。ここで、回転軸Ｑの移動方向が対象物Ｗを目標位置Ｐｄから遠ざかる方向でない場合（ステップＳ３０４：ＮＯ）の場合には何もせずに処理を終了する。一方、回転軸Ｑの移動方向が対象物Ｗを目標位置Ｐｄから遠ざける方向である場合（ステップＳ３０４：ＹＥＳ）にはステップＳ３０６に処理が移る。ステップＳ３０６では、ブレーキ５６へのトルク指令値τを算出する。トルク指令値τの具体的な算出方法は前述した通りである。最後にステップＳ３０８では、算出されたトルク指令値τをブレーキ５６へ出力する。
対象物Ｗを目標位置から遠ざかる方向へ回転し難くすることによって、作業補助装置１００は作業者Ｔに対して、目標位置へ近づけるために対象物Ｗを回転させる方向を示唆することができる。作業者Ｔは、対象物Ｗを回転させ易い方向へ回転させるだけで、対象物Ｗを目標位置Ｐｄへ近づけることができる。
なお、ブレーキ５６が請求項の回転規制装置の一態様に相当する。回転規制装置はブレーキの他に、作業者Ｔが対象物Ｗを回転させる際に回転関節３４の回転抵抗を可変に出来る装置であればよい。

本実施例の作業補助装置１００では、対象物Ｗを把持する把持装置１０と、把持装置１０を移動させる移動装置２０が回転軸Ｑの回りに自由回転可能に連結されている。作業者Ｔは、対象物Ｗに操作力を加えることによって、対象物Ｗを自由に回転させることができる。
第１移動指令値算出装置６４は、対象物Ｗの姿勢角に応じて把持装置１０の回転軸Ｑを移動させる方向と移動量を指定する第１移動指令値を算出する。第１移動指令値算出装置６４が算出し得る回転軸Ｑの移動方向は、予め設定された基準線の方向、即ちＸ軸に沿った方向に限定している。
一方、第２移動指令値算出装置６８は、作業者Ｔが対象物Ｗに加える操作力の基準線と直交する方向（即ちＹ軸方向）の成分に応じて回転軸Ｑを前記直交方向（Ｙ軸方向）と平行な方向へ移動させる移動量を指定する第２移動指令値を算出する。
算出された第１移動指令値と第２移動指令値は指令値出力装置６６によって移動装置２０の各アクチュエータ４０、４２へ出力される。その結果、作業補助装置１００は、作業対象物に加える作業者Ｔの動作に追従して対象物Ｗを移動させることができる。

第１移動指令値算出装置６４が基準線に沿った方向への回転軸Ｑの移動方向と移動量を指定する第１移動指令値を算出する。第２移動指令値算出装置６８が基準線に直交する方向への回転軸Ｑの移動量を指定する第２移動指令値を算出する。第１移動指令値と第２移動指令値によって、作業補助装置１００は、対象物Ｗを把持する把持装置１０の回転軸Ｑを作業平面（図１に示すＸＹ平面）内で自由に移動させることができる。作業補助装置１００は、作業者が望む方向へ対象物Ｗを移動することができる。作業者が対象物Ｗを移動する作業について、作業補助装置１００は、作業者の動きに追従しながら、作業者に理解しやすいように対象物Ｗを移動させることによって、作業者の作業を効果的に補助することができる。特に、対象物Ｗを目標姿勢で目標位置に移動する作業について、対象物Ｗの初期位置と初期姿勢角が目標位置と目標姿勢角とどのような関係であっても、作業者の作業を効果的に補助することができる。

回転軸Ｑ、即ち対象物Ｗを移動させる方向のうち、基準線に沿った方向については、作業者Ｔが対象物Ｗに操作力を加えて対象物Ｗを回転させると、作業補助装置１００が、対象物Ｗの姿勢角偏差ｄθが減少すると推定される方向に回転軸Ｑを移動させる。把持装置１０と移動装置２０は回転軸Ｑの回りに自由回転可能に連結されているため、移動装置２０によって回転軸Ｑが移動される際、対象物Ｗの姿勢角の変化は、回転軸Ｑの位置と作業者Ｔの位置関係で決定される。換言すれば、作業補助装置１００は、対象物Ｗに対して特定の回転を強制的に与えない。移動装置２０によって回転軸Ｑが移動される際の対象物Ｗの姿勢角の変化は、作業者Ｔに理解し易いものとなる。作業者Ｔは、作業補助装置１００がどのように対象物Ｗを移動させるか、及びその結果、対象物Ｗがどのように回転するかを容易に把握できる。作業者Ｔが対象物Ｗを移動する作業を補助する装置において、作業補助装置１００がどのように対象物Ｗを移動させるか理解し易くなるので、作業者Ｔの作業の負担を軽減することができる。
本実施例では、作業環境が２自由度の並進自由度を有するにも関わらずに姿勢角偏差ｄθに応じて回転軸Ｑを移動させる方向を基準線に沿った方向に限定している。即ち、作業補助装置１００は、姿勢角偏差ｄθに応じて回転軸Ｑを移動させる並進自由度の数を、作業環境が有する並進自由度の数よりも１自由度少なく限定している。姿勢角偏差ｄθに応じて回転軸Ｑを移動させる方向を限定することによって、作業補助装置１００が回転軸Ｑを移動させた結果として生じる対象物Ｗの動きを作業者に一層理解させ易くなる。

また本実施例では、第１移動指令値算出装置６４が算出可能な回転軸Ｑの移動方向、即ち基準線に沿った方向に対して直交する方向に対象物Ｗを移動させる第２移動指令値算出装置６８を備えている。本実施例では、基準線の方向はＸ軸と平行な方向であり、前記直交方向はＹ軸と平行な方向である。
第２移動指令値算出装置６８は、作業者Ｔが対象物に加えた操作力の前記直交方向成分に基づいて回転軸Ｑを直交方向に移動させる第２移動指令値を算出する。第２移動指令値算出装置６８は、前記直交方向にいわゆる力制御を行う。作業者Ｔが対象物Ｗを移動する際、前記直交方向への操作力を適宜調整することによって、対象物Ｗの前記直交方向に沿った方向の位置の微調整を行うことができる。

作業補助装置１００の移動装置２０が、対象物Ｗを把持する把持装置１０の回転軸Ｑを移動させても、対象物Ｗの姿勢角θが目標姿勢角θｄに一致するか否かは、作業者Ｔの位置に依存する。作業補助装置１００は、どこまで回転軸Ｑを移動させれば姿勢角θが目標姿勢角θｄと一致するかは判断しない。対象物Ｗの姿勢角θが目標姿勢角θｄに一致する位置は、回転軸Ｑと作業者Ｔの位置関係で決まる。即ち、作業補助装置１００が対象物Ｗをどこまで移動させるかは作業者Ｔが主体的に決定することができる。作業補助装置１００は、作業者Ｔの動きに追従して対象物Ｗを移動させるので、対象物Ｗを目標位置Ｐｄへ目標姿勢θｄで自動的に移動させる全自動機械よりも状況に柔軟に対応することができる。

このことは、換言すれば、対象物を並進移動させて目標位置へ移動する作業は作業者が主体的に行うことができる一方で、対象物の姿勢角を目標姿勢角に一致させる作業は作業対象物が自律的に行うことを意味する。本実施例の作業補助装置１００は、作業者が対象物を目標姿勢で目標位置へ移動する作業について、作業を対象物の並進方向の移動作業（即ち並進方向の位置決め作業）と回転方向の姿勢合わせ作業に分解し、並進方向の移動作業は作業者主体で行い、姿勢合わせ作業は作業補助装置が自律的に行う装置ということができる。そうすることによって、作業者は対象物の並進方向の移動作業に集中することができる。作業補助装置は、作業者の作業負担を軽減することができる。
対象物を目標姿勢で目標位置に移動する作業を、対象物の並進方向の移動作業と、姿勢合わせ作業に分解し、並進方向の移動作業は作業者主体で行うことができ、姿勢合わせ作業は作業補助装置が自律的に行うことは、対象物を把持する把持装置を移動装置に対して自由回転可能に連結することによって実現することができる。

また、本実施例の作業補助装置１００は、作業者Ｔが対象物Ｗを回転させる際、その回転方向が、結果的に対象物Ｗを目標位置Ｐｄから遠ざける方向である場合には、その回転方向へは回転させ難くするブレーキトルクを回転関節３４に加える。そうすることによって、作業者Ｔは誤って目標位置Ｐｄから遠ざける方向へ対象物Ｗを回転させ難くすることができる。作業者Ｔは、対象物Ｗを回転させる際の負荷が大きくなったことを感じることによって、その回転方向が目標位置Ｐｄから対象物Ｗを遠ざける方向であることを知覚することができる。換言すれば、作業補助装置１００は、作業者Ｔが、目標位置Ｐｄに対象物Ｗを近づけるための動作を行うように誘導することができる。

＜第２実施例＞ 次に本発明の第２実施例について説明する。この実施例は、記憶装置が記憶している基準線に沿った方向、即ち、第１移動指令値が示し得る回転軸Ｑの移動方向と直交する方向には自律的に対象物Ｗの位置Ｐを目標位置Ｐｄへ近づけることができる。
本実施例において、作業者が行うべき作業は第１実施例と同じである。本実施例に係る作業補助装置の構成は、図１に示した第１実施例の作業補助装置１００と同様であるので説明を省略する。但し、本実施例における作業補助装置は、図１に示した力センサ３６は備えていない。本実施例における作業補助装置のブロック図も図３に示した第１実施例のブロック図と同様なので説明を省略する。
本実施例の作業補助装置は、力センサ３６を備えていないことと図３に示した第２移動指令値算出装置６８での処理が第１実施例とは異なる。従って、本実施例における第２移動指令値算出装置６８の処理について説明する。

図７は、第２実施例における第２移動指令値算出装置（図３の第２移動指令値算出装置６８に相当する）の動作を説明する図である。
本実施例の作業補助装置も第１実施例の作業補装置１００と同様に、基準線に沿った回転軸Ｑの移動方向、即ち、第１移動指令値算出装置６４（図３参照）が算出可能な回転軸Ｑの移動方向はＸ軸に平行な方向に限定されている。第１移動指令値算出装置６４が算出可能な回転軸Ｑの移動方向に対して直交する方向は図７のＹ軸に平行な方向である。
図７には、目標位置Ｐｄを通りＸ軸と平行な直線Ｌ２と、目標位置Ｐｄを通る直線Ｌ３が描かれている。直線Ｌ２は、位置偏差のＹ軸方向成分がゼロとなる位置の集合となる。本実施例では、対象物Ｗの位置Ｐと目標位置ＰｄのＹ軸方向の位置偏差に対して位置偏差許容範囲が設けられている。直線Ｌ２と直線Ｌ３で挟まれた領域が位置偏差許容範囲Ｄである。位置偏差許容範囲Ｄは、対象物Ｗの位置偏差が小さくなるほど狭くなるように設定されている。

本実施例の第２移動指令値算出装置は、対象物ＷのＹ軸方向の位置を位置偏差許容範囲Ｄ内に移動させるための第２移動指令値を算出する。例えば図７において、対象物Ｗが位置Ｐ５に位置しているとする。位置Ｐ５におけるＸ軸方向の位置偏差はＰｘ５である。この位置におけるＹ軸方向に設定された位置偏差許容範囲は、直線Ｌ２からＹ軸の正方向に距離Ｄ１の範囲である。作業者Ｔが対象物Ｗを回転させると、第１移動指令値算出装置６４（図３参照）が、Ｘ軸に平行な方向で姿勢角偏差を減少させる回転を対象物に与えると推定される「回転軸Ｑの移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値を算出する。第１移動指令値によって、回転軸ＱはＸ軸方向の位置偏差がＰｘ６となる位置へ移動する。図７に示すように、Ｘ軸方向の位置偏差Ｐｘ６に対応するＹ軸方向の位置偏差許容範囲はＤ２である。このとき、本実施例の第２移動指令値算出装置は、対象物Ｗの位置偏差のＹ軸方向成分が位置偏差許容Ｄ２内となる位置へ回転軸ＱをＹ軸と平行に移動させる第２移動指令値を算出する。Ｘ軸に沿った方向であって姿勢角偏差を減少させる回転を対象物に与えると推定される「回転軸Ｑの移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値と、Ｙ軸に平行な方向であってＹ軸方向の位置偏差がＤ２となる位置へ回転軸Ｑを移動させる第２移動指令値の両者によって、本実施例の作業補助装置は対象物Ｗを位置Ｐ６に移動させる。対象物Ｗの位置はＰ５からＰ６へ移動する。即ち、Ｘ軸方向の位置偏差が小さくなるにつれて対象物ＷのＹ軸方向の位置偏差も小さくなる。ここで、対象物ＷのＸ軸方向の移動は、作業者Ｔが対象物Ｗを回転させることによって行われる。即ち、対象物ＷのＸ軸方向の移動は作業者Ｔが主体的に行うことができる。
一方、回転軸ＱのＹ軸方向の移動は、本実施例の作業補助装置が自律的に行う。その動作は、作業者Ｔが対象物ＷをＸ軸方向で目標位置Ｐｄに近づけるに従って徐々に位置偏差のＹ軸方向成分を小さくする動作となる。対象物ＷのＸ軸方向の移動については作業者Ｔが主体的に移動させることができる一方で、Ｙ軸方向の対象物Ｗの移動については作業補助装置が自律的に目標位置Ｐｄへ位置合わせする。作業者Ｔが対象物Ｗを目標姿勢で目標位置へ移動させる作業を一層容易にすることができる。

上記の実施例では、対象物Ｗの移動範囲をＸＹ平面内に限定した。上記の実施例に示した作業補助装置１００は容易に３次元空間に拡張することができる。図１で説明した作業を３次元に拡張した場合を説明する。対象物Ｗの目標位置ＰｄがＺ軸方向に所定の高さＰｄｚであるとする。対象物Ｗの初期位置Ｐ１はＰｄｚより低いＰ１ｚであるとする。移動装置２０は把持装置１０をＺ軸方向へ移動可能な関節とリンクをさらに備えている。回転関節３４は、Ｚ軸回りの他にＸ軸回りにも自由回転可能に構成されている。Ｘ軸方向の回転軸を回転軸Ｑ２とする。コントローラ６０の記憶装置６２は、Ｘ軸とＺ軸を含む平面を記憶している。
作業者Ｔは、対象物ＷをＺ軸の正方向に持ち上げる操作力を加える。対象物Ｗは、回転関節３４のＸ軸方向の回転軸Ｑ２を中心に回転する。対象物ＷのＸ軸回りの姿勢角が変化する。作業補助装置は、記憶された平面に沿った方向であり、対象物の姿勢角と目標姿勢角の姿勢角偏差を減少させる方向に対象物を回転させると推定される「回転軸Ｑ２の移動方向とその方向への移動量」を指定する第１移動指令値を算出する。その方向は回転軸Ｑ２をＺ軸の正の方向に並進移動させる方向となる。第１移動指令値に従って移動装置２０が回転軸Ｑ２を移動させることによって、対象物Ｗの位置偏差のＺ軸方向成分を小さくすることができる。
ここで、姿勢角偏差を減少させる方向に対象物を回転させると推定される「回転軸Ｑ２の移動方向」の判断について説明する。
第１移動指令値算出装置６４には、対象物Ｗに対して仮想的な回転中心が予め設定されている。仮想的な回転中心は、位置・姿勢角センサによって検出された対象物Ｗの位置Ｐに設定されている。第１移動指令値算出装置６４は、位置Ｐを中心に設定し、Ｚ軸の正の方向と負の方向に回転軸Ｑ２を微小移動させたときの姿勢角偏差の変化率を算出する。変化率が姿勢角偏差を減少させる場合のＺ軸の方向が、姿勢角偏差を減少させる向きの回転を対象物Ｗに与えると推定される「回転軸Ｑ２の移動方向」であると判断する。
即ち、図１に示した第１実施例において、姿勢角偏差ｄθに基づいて回転軸ＱをＸ軸に沿った方向へ移動させる処理と同じ処理をＺ軸方向についても行えばよい。

作業者は対象物を回転軸Ｑと回転軸Ｑ２に対して同時に回転させてもよい。その場合には、回転軸Ｑについての移動方向の判断と回転軸Ｑ２についての移動方向の判断を個別に、或いは同時に行えばよい。回転軸ＱのＸ軸に沿った移動方向と、回転軸Ｑ２のＺ軸に沿った移動方向を判断することによって、ＸＺ平面に沿っており、姿勢角偏差を減少させる方向に対象物を回転させると推定される「回転軸Ｑ及び回転軸Ｑ２の移動方向」を求めることができる。
ＸＺ平面と直交する方向、即ちＹ軸方向については、第１実施例或いは第２実施例と同様の方法で移動装置を制御すればよい。

上記の実施例では、第１移動指令値算出装置は、移動装置が回転軸を移動させるときの対象物の「仮想的な回転中心」が予め設定されており、「仮想的な回転中心」に対して、作業者が対象物を回転させたときに生じる姿勢角偏差を減少させる向きの回転を対象物に与えると推定される「回転軸の前記平面に沿った移動方向と移動量を指定する第１移動指令値を算出する。
移動装置と把持装置は、回転軸回りに回転可能に連結されている。従って、移動装置が把持装置の回転軸を移動させても、把持装置自体が回転するとは限らない。即ち、把持装置に把持された対象物が回転するとは限らない。作業補助装置は、移動装置が把持装置の回転軸を移動させた際に、結果的に対象物が回転するか否かは判断しない。移動装置が把持装置の回転軸を移動させた結果、姿勢角偏差が減少するかはわからない。
そこで、対象物に対して仮想的な回転中心を予め設定する。仮想的な回転中心を設定することで、第１移動指令値算出装置は、把持装置の回転軸を並進移動させた際に、仮想的な回転中心に対象物がどの方向に回転するかを判断できる。「仮想的な回転中心」に対して、姿勢角偏差を減少させる向きの回転を対象物に与えると推定される「回転軸の前記平面に沿った移動方向と移動量を指定する第１移動指令値を算出することができる。
仮想的な回転中心は、例えば、センサによって検出される対象物の位置であってもよいし、作業者の位置であってもよい。或いは、作業者が対象物の一部を把持しているときの、その把持部分であってもよい。
なお、上記実施例の説明において、「Ｘ軸に沿った方向」は、Ｘ軸と略平行な方向であればよい。「基準線に沿った方向」や「平面に沿った方向」についても同様である。

上記の実施例では、第１移動指令値算出装置は、姿勢角偏差がゼロとなるまで第１移動指令値を算出する。
前述したように、移動装置が把持装置の回転軸を移動させても、対象物が回転するか否か、或いは対象物がどの程度回転するかは、回転軸と作業者の位置関係で決まる。作業補助装置は、対象物の姿勢角を目標姿勢角に一致させる作業を担当する。第１移動指令値算出装置が、姿勢角偏差がゼロとなるまで第１移動指令値を算出することによって、対象物の姿勢角を目標姿勢角に維持することができる。

次に、上記実施例の変形例について説明する。
第１実施例では、作業者Ｔが誤って対象物Ｗを目標位置から遠ざかる方向へ回転してしまうことを防止するために、ブレーキ５６を備えた。そして、作業者Ｔが対象物Ｗを目標位置から遠ざかる方向へ回転したことを検出するために、対象物Ｗの位置・姿勢を検出するセンサ（第１センサ５０と第２センサ５２と第３センサ５４）を備えるとともに、記憶装置６２に対象物Ｗの目標位置Ｐｄを記憶させた。
作業補助装置は、ブレーキ５６を備えなくともよい。その場合には、記憶装置６２には、対象物Ｗの目標位置Ｐｄを記憶させなくともよい。作業者Ｔが対象物Ｗの移動先を知っているからである。またその場合には、作業補助装置は、対象物Ｗの位置を検出するセンサを備えなくともよい。作業者Ｔが対象物Ｗを回転させると、作業補助装置は対象物Ｗの姿勢を目標姿勢に一致させるように動作する。結果的に作業補助装置は、作業者Ｔの意図する方向へ対象物Ｗを移動させることができる。このとき、作業補助装置は対象物Ｗの位置を認識する必要がないからである。以上のように、作業補助装置は、ブレーキ５６と、対象物Ｗの位置を検出するセンサを有さず、記憶装置６２に対象物Ｗの目標位置を記憶させない構成とすることができる。そのように構成することによって、作業補助装置を簡易化することができる。簡易化した作業補助装置によっても、作業者Ｔが対象物Ｗを移動する作業について、作業者Ｔの動作に追従しながら、作業者Ｔに理解しやすく対象物Ｗを移動させることができる。

また、第１実施例では、基準線と直交する方向へ対象物を移動させる際に、（２）式及び（３）式に基づくインピーダンス制御則を用いた。（２）式の右辺に「＋Ｋ・ｅＹ」という弾性項を付加することも好適である。ここで、Ｋは弾性係数である。ｅＹは、基準線と直交する方向における対象物Ｗの位置と目標位置Ｐｄの距離差である。この弾性項は、基準線と直交する方向において、対象物Ｗを目標位置Ｐｄに近づけやすくする効果を奏する。この弾性項を付加することによって、作業者Ｔは、基準線と直交する方向について、より小さな操作力で対象物Ｗを目標位置Ｐｄへ移動させることができる。

また、第１実施例では、力センサ３６を把持装置１０に配置した。力センサ３６は、回転関節３４或いは回転関節３４に連結されている第２リンクに配置してもよい。力センサ３６をいずれの部品に配置しても、適切な変換式によって、把持装置１０に加わる操作力を検出できるからである。

また、記憶装置が記憶している平面を、対象物Ｗの初期位置と目標位置を含む平面に設定することも好適である。或いは、第１実施例で説明した基準線を、対象物Ｗの初期位置と目標位置を通る直線に設定することも好適である。
このことを図７を利用して説明する。図７において、位置Ｐ５が対象物の初期位置であるとする。目標位置はＰｄである。図７において、直線Ｌ３は、対象物Ｗの初期位置Ｐ５と目標位置Ｐｄを結ぶ直線である。直線Ｌ３を、第１実施例における基準線に設定する。
第１移動指令値算出装置６４（図３参照）は、把持装置１０の回転軸Ｑを図７に示す直線Ｌ３に沿った方向に並進移動させる第１移動指令値を算出する。このとき、作業者Ｔが対象物Ｗを目標位置Ｐｄに近づける方向へ回転させると、回転軸Ｑは直線Ｌ３と平行に移動する。従って、対象物ＷのＸ軸方向の位置偏差がゼロとなった時点で、対象物Ｗは目標姿勢で目標位置Ｐｄに一致する。以上の通り基準線を設定することによって、作業者が対象物を回転させるだけで対象物Ｗを目標位置に目標姿勢で位置決めする作業を補助する作業補助装置を実現できる。このことは対象物を３次元空間内で移動させる作業補助装置へも容易に拡張できる。

作業補助装置が備える第２移動指令値算出装置に対して、作業者が把持装置の移動指示を入力するための入力装置を備えることも好適である、第２移動指令値算出装置へ明示的に移動指示を与えることによって、「直交方向」について、対象物を確実に作業者の意図通りに移動させることができる。

姿勢角偏差に基づいて第１移動指令値が示し得る回転軸の移動方向を、作業空間或いは作業平面の並進自由度より少ない自由度に限定することによって、作業補助装置が対象物を移動させる際の対象物の回転を作業者に一層理解させ易くすることができる。
その際、第１移動指令値が示し得る回転軸の方向を、対象物の目標位置に近づく方向に伸びる平面或いは直線に設定することがよい。

前述した実施例では、作業者と把持装置で重力に対して対象物を保持する構成とした。把持装置は、単体で重力に対して対象物を保持する構成とすることも好適である。その場合でも、把持装置と移動装置は、それらを連結する連結部の回転軸Ｑの回りに自由回転可能に連結する。把持装置が対象物を把持した状態でも作業者は対象物を自由に回転させることができる。そのように構成することによって、作業者が重力に対して対象物を保持する負荷を軽減することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

図１は第１実施例の作業補助装置の平面図である。図１（Ａ）は、作業者が対象物を回転させた状態を示す図である。図１（Ｂ）は、対象物の回転に応じて作業補助装置が把持装置の回転軸を移動させた状態を示す図である。 対象物をＹ軸方向へ移動させる動作を説明する図である。 第１実施例の作業補助装置のブロック図である。 対象物の姿勢角に応じて把持装置の回転軸を移動させる処理のフローチャート図である。 作業者が対象物に加える操作力に応じて把持装置の回転軸を移動させる処理のフローチャート図である。 回転関節に配置されたブレーキへのトルク指令値を指令する処理のフローチャート図である。 第２実施例の作業補助装置の動作を説明する図である。

符号の説明

１０：把持装置
２０：移動装置
２２：第１リンク
２４：第２リンク
２６：第３リンク
３０：第１直動関節
３２：第２直動関節
３４：回転関節
３６：力センサ
４０：第１アクチュエータ
４２：第２アクチュエータ
５０：第１センサ
５２：第２センサ
５４：第３センサ
５６：ブレーキ
６０：コントローラ
６２：記憶装置
６４：第１移動指令値算出装置
６６：指令値出力装置
６８：第２移動指令値算出装置
１００：作業補助装置

Claims (10)

1. 作業者が対象物の一部を把持して移動させることによって、対象物を移動する作業を補助する装置であり、
   対象物の他の一部を把持する把持装置と、
   把持装置が回転可能に連結されており、アクチュエータによって把持装置の回転軸を移動させる移動装置と、
   対象物の目標姿勢角と、予め設定された平面を記憶している記憶装置と、
   対象物の姿勢角を検出するセンサと、
   作業者が対象物を回転させたときに生じる「対象物の姿勢角と目標姿勢角の姿勢角偏差」を減少させる向きの回転を対象物に与えると推定される「前記回転軸の前記平面に沿った移動方向と移動量」を指定する第１移動指令値を算出する第１移動指令値算出装置と、
   算出された第１移動指令値をアクチュエータへ出力する指令値出力装置と、
   を備えることを特徴とする作業補助装置。
2. 前記平面は、対象物の初期位置と目標位置を含む平面であることを特徴とする請求項１に記載の作業補助装置。
3. 第１移動指令値算出装置は、前記平面内に設定された直線に沿って回転軸を移動させる第１移動指令値を算出することを特徴とする請求項１に記載の作業補助装置。
4. 前記直線は、対象物の初期位置と目標位置を通過する直線であることを特徴とする請求項３に記載の作業補助装置。
5. 前記平面と直交する方向へ前記回転軸を移動させる移動量を指定する第２移動指令値を算出する第２移動指令値算出装置を備え、
   指令値出力装置は、算出された第２移動指令値を移動装置のアクチュエータへ出力することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の作業補助装置。
6. 作業者が対象物に加える操作力の前記直交方向の操作力成分を検出する力センサを備えており、
   第２移動指令値算出装置は、力センサによって検出された操作力成分に基づいて第２移動指令値を算出することを特徴とする請求項５に記載の作業補助装置。
7. 対象物の位置を検出するセンサをさらに備えており、
   前記記憶装置は、対象物の目標位置を記憶しており、
   第２移動指令値算出装置は、検出された対象物の位置と記憶された目標位置の前記直交方向の距離を減少させる方向に回転軸を移動させる第２移動指令値を算出することを特徴とする請求項５に記載の作業補助装置。
8. 前記直交方向に関して、検出された対象物の位置と記憶された目標位置の位置偏差が小さくなるほど小さくなる許容範囲が設定されており、第２移動指令値算出装置は、対象物の位置が許容範囲内となるように回転軸を移動させる第２移動指令値を算出することを特徴とする請求項７に記載の作業補助装置。
9. 移動装置に対する把持装置の回転を規制する回転規制装置を備えており、
   第１移動指令値算出装置は、算出した第１移動指令値が、対象物の位置と目標位置の位置偏差を大きくする方向である場合には、回転規制装置へ把持装置の回転を規制するトルク指令値を出力することを特徴とする請求項７又は８に記載の作業補助装置。
10. 対象物の位置を検出するセンサをさらに備えており、
    前記記憶装置は、対象物の目標位置を記憶しており、
    移動装置に対する把持装置の回転を規制する回転規制装置を備えており、
    第１移動指令値算出装置は、算出した第１移動指令値が、対象物の位置と目標位置の位置偏差を大きくする方向である場合には、回転規制装置へ把持装置の回転を規制するトルク指令値を出力することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の作業補助装置。

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